JP2017083234A - 三次元形状計測装置、三次元形状計測システム、プログラム、コンピュータ読み取り可能な記録媒体、および三次元形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダ等を必要とせずに計測対象の三次元形状情報を正確に計測する三次元形状計測装置を提供する。【解決手段】三次元形状計測装置１０は、サーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０の表面にラインレーザ６０により形成された光切断線が形成されている部分の座標を算出するマークサーチ部を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、線状光により計測対象の表面に形成された光切断線を含む複数の画像を解析して、当該計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置に関するものである。

画像解析によって計測対象の三次元形状情報を得る手段として、三角測量の原理を利用した光切断法などが知られている。例えば、下掲の特許文献１には、対象物とパタン光とを相対的に走査させつつ、当該対象物の表面に現れるパタンを含む画像を、画像の輝度に影響を与えるパラメタを変化させながら複数取得し、複数の当該画像のうち、各画素の輝度レベルが所定範囲の対象画像に対応するパタンの輝度情報を用いて、当該対象物の三次元形状を求める三次元形状計測装置が開示されている。

特開２００９−１６８６５８号公報（２００９年７月３０日公開）

しかしながら、前記特許文献１に例示するような従来の技術は、線状光により計測対象の表面に形成された光切断線の位置を取得するために、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を必要とし、そのため、構成が複雑になって簡易に実現することができないという問題がある。

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、外部の位置計測装置を用いることなく、計測対象の三次元形状を正確に計測する三次元形状計測装置、三次元形状計測システム、三次元形状計測方法およびプログラムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る三次元形状計測装置は、基準面に載置された計測対象の表面に線状光により形成された光切断線と、当該計測対象との相対位置が変化しない、非対称な形状の基準マークとが撮像された複数の画像を取得する取得部と、前記各画像について、前記計測対象の、前記光切断線が形成されている部分の前記基準面からの高さを算出する高さ算出部と、前記各画像について、前記基準マークを用いて、前記部分の、前記基準面に平行な面における座標を算出する座標算出部と、前記各画像から算出された前記高さと前記座標とを組み合わせ、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成するマップ生成部と、を備えている。

前記の構成によれば、前記三次元形状計測装置は、前記各画像について、前記基準マークを用いて、前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出し、算出した当該座標と当該部分の前記高さとを組合せ、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成する。したがって、前記三次元形状計測装置は、前記部分の位置を、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに算出し、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができ、つまり、前記計測対象の三次元形状を正確に計測することができるという効果を奏する。

また、前記三次元形状計測装置は、前記各画像に撮像されている前記光切断線の各々が互いに異なる、前記複数の画像を取得するため、例えば、前記計測対象を載置した前記基準面を水平に移動させる場合、移動にふらつき等が発生したときにも、前記基準マークを用いて前記部分の前記座標を正確に算出することができる。つまり、前記三次元形状計測装置は、前記計測対象を載置した前記基準面を手動等のふらつきを発生させ得る方法で移動させた場合にも、前記基準マークを用いて、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

ここで、従来の三次元形状計測システムにおいては、線状光に対して計測対象を１方向のみに水平移動させるため、当該線状光が照射されない、影になる部分（光切断線が形成されない部分）が発生し得る。前記影になる部分（前記光切断線が形成されない部分）に前記線状光を照射するには、例えば、前記線状光に対して前記計測対象を水平に回転させる等すればよい。しかしながら、線状光に対して計測対象を水平回転させた場合、当該計測対象の表面に当該線状光により形成された光切断線の位置を特定するのは、当該線状光に対して当該計測対象を１方向に水平移動させた場合の当該光切断線の位置の特定よりもさらに困難である。

これに対し、本願発明に係る前記三次元形状計測装置は、前記基準マークを用いて前記部分の位置を算出するので、例えば前記基準面を水平回転させる等して得た前記複数の画像から、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに容易に、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができる。つまり、前記三次元形状計測装置は、「線状光に対して計測対象を１方向のみに水平移動させた場合には光切断線が形成されない部分（影になる部分）に、例えば前記基準面を水平回転させて当該線状光を照射して、光切断線を形成した画像」を含む、前記複数の画像から、前記基準マークを用いて、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

さらに、従来の三次元形状計測システムにおいては、線状光に対して計測対象を水平移動させる方向（移動方向）のスケールと、基準面において当該移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算が必要であることが一般に知られている。

これに対し、本願発明に係る前記三次元形状計測装置は、前記複数の画像の各々について、前記基準マークを用いて前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出するため、前記移動方向のスケールと、前記移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算を省略することができるという効果を奏する。

好ましくは、前記三次元形状計測装置の前記座標算出部は、前記基準マークを撮像した画像における、前記基準マークの位置を基準位置として予め登録しており、前記複数の画像の各々に含まれる前記基準マークの位置の、当該基準位置からの平行移動量および回転移動量の少なくとも一方に基づき、前記複数の画像の各々について、前記部分の前記座標を算出する。

前記の構成によれば、前記三次元形状計測装置は、前記複数の画像の各々に含まれる前記基準マークの位置の、前記基準位置からの平行移動量および回転移動量の少なくとも一方に基づき、前記複数の画像の各々について、前記部分の前記座標を算出する。したがって、前記三次元形状計測装置は、前記各画像の前記部分の位置を、エンコーダ等を用いずに、前記基準マークの位置の、前記基準位置からの移動量から算出し、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

好ましくは、前記三次元形状計測装置において、前記基準マークは、前記基準面に付されている。

前記の構成によれば、前記三次元形状計測装置は、前記各画像について、前記基準面に付されている前記基準マークを用いて、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成する。したがって、前記三次元形状計測装置は、前記各画像の前記部分の位置を、エンコーダ等を用いずに、前記基準面に付されている前記基準マークを用いて算出し、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

好ましくは、前記三次元形状計測装置において、前記基準マークは、前記計測対象自体が備えている。

前記の構成によれば、前記三次元形状計測装置は、前記各画像について、前記計測対象自体が備える前記基準マークを用いて、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。したがって、前記三次元形状計測装置は、前記各画像の前記部分の位置を、エンコーダ等を用いずに、前記計測対象自体が備える前記基準マークを用いて算出し、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

好ましくは、前記三次元形状計測装置において、前記基準マークの色と前記線状光の色とは異なっている。

前記の構成によれば、前記基準マークの色と前記線状光の色とが異なるため、前記三次元形状計測装置は、前記各画像において、前記基準マークと、前記線状光が前記計測対象の表面に形成する前記光切断線とを、正確に区別することができる。したがって、前記三次元形状計測装置は、前記基準マークから正確に区別可能な前記光切断線の形成されている部分の前記高さを正確に算出するとともに、前記線状光から正確に区別可能な前記基準マークを用いて、前記部分の前記座標を正確に算出することができるという効果を奏する。

好ましくは、前記三次元形状計測装置において、前記線状光は偏光である。

前記の構成によれば、前記線状光が偏光であるため、前記三次元形状計測装置は、前記各画像において、自然光を反射する前記基準マークと、偏光である前記線状光が前記計測対象の表面に形成する前記光切断線とを、正確に区別することができる。したがって、前記三次元形状計測装置は、前記基準マークから正確に区別可能な前記光切断線が形成されている部分の前記高さを正確に算出するとともに、前記線状光から正確に区別可能な前記基準マークを用いて、前記部分の前記座標を算出することができるという効果を奏する。

好ましくは、前記三次元形状計測装置の前記座標算出部は、前記複数の画像の各々に含まれる前記基準マークを、当該画像の一部分である所定領域のみから検出する。

前記の構成によれば、前記三次元形状計測装置は、前記各画像の前記基準マークを、当該画像の一部分である所定領域のみから検出する。つまり、前記各画像において、前記基準マークが撮像されている部分と、前記部分が撮像されている部分とは空間的に分離している。したがって、前記三次元形状計測装置は、前記所定領域のみから前記基準マークを検出するため、前記基準マークの検出精度を向上させ、かつ、検出速度を向上させることができるという効果を奏する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る三次元形状計測システムは、基準面に載置された計測対象に線状光を照射する照射装置と、前記照射装置によって照射された前記線状光により前記計測対象の表面に形成された光切断線と、前記計測対象との相対位置が変化しない、非対称な形状の基準マークとを撮像した複数の画像を取得する撮像装置と、前記撮像装置によって取得された前記各画像について、前記計測対象の、前記光切断線が形成されている部分の前記基準面からの高さを算出するとともに、前記基準マークを用いて、当該部分の、前記基準面に平行な面における座標を算出し、当該高さと当該座標とを組み合わせ、前記計測対象について、前記座標ごとの、前記高さを示すデータを生成する三次元形状計測装置と、を含んでいる。

前記の構成によれば、前記三次元形状計測システムは、前記撮像装置が取得した前記各画像について、前記基準マークを用いて、前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出し、算出した当該座標と当該部分の前記高さとを組合せ、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成する。したがって、前記三次元形状計測システムは、前記部分の位置を、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに算出し、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができ、つまり、前記計測対象の三次元形状を正確に計測することができるという効果を奏する。

また、前記三次元形状計測システムは、前記各画像に撮像されている前記光切断線の各々が互いに異なる、前記複数の画像を取得するため、例えば、前記計測対象を載置した前記基準面を水平に移動させる場合、移動にふらつき等が発生したときにも、前記基準マークを用いて前記部分の前記座標を正確に算出することができる。つまり、前記三次元形状計測システムは、前記計測対象を載置した前記基準面を手動等のふらつきを発生させ得る方法で移動させた場合にも、前記基準マークを用いて、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

ここで、従来の三次元形状計測システムにおいては、線状光に対して計測対象を１方向のみに水平移動させるため、当該線状光が照射されない、影になる部分（光切断線が形成されない部分）が発生し得る。前記影になる部分（前記光切断線が形成されない部分）に前記線状光を照射するには、例えば、前記線状光に対して前記計測対象を水平に回転させる等すればよい。しかしながら、線状光に対して計測対象を水平回転させた場合、当該計測対象の表面に当該線状光により形成された光切断線の位置を特定するのは、当該線状光に対して当該計測対象を１方向に水平移動させた場合の当該光切断線の位置の特定よりもさらに困難である。

これに対し、本願発明に係る前記三次元形状計測システムは、前記基準マークを用いて前記部分の位置を算出するので、例えば前記基準面を水平回転させる等して得た前記複数の画像から、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに容易に、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができる。つまり、前記三次元形状計測システムは、「線状光に対して計測対象を１方向のみに水平移動させた場合には光切断線が形成されない部分（影になる部分）に、例えば前記基準面を水平回転させて当該線状光を照射して、光切断線を形成した画像」を含む、前記複数の画像から、前記基準マークを用いて、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

さらに、従来の三次元形状計測システムにおいては、線状光に対して計測対象を水平移動させる方向（移動方向）のスケールと、基準面において当該移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算が必要であることが一般に知られている。

これに対し、本願発明に係る前記三次元形状計測システムは、前記複数の画像の各々について、前記基準マークを用いて前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出するため、前記移動方向のスケールと、前記移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算を省略することができるという効果を奏する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る三次元形状計測方法は、基準面に載置された計測対象の表面に線状光により形成された光切断線と、当該計測対象との相対位置が変化しない、非対称な形状の基準マークとが撮像された複数の画像を取得する取得ステップと、前記各画像について、前記計測対象の、前記光切断線が形成されている部分の前記基準面からの高さを算出する高さ算出ステップと、前記各画像について、前記基準マークを用いて、前記部分の、前記基準面に平行な面における座標を算出する座標算出ステップと、前記各画像から算出された前記高さと前記座標とを組み合わせ、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成するマップ生成ステップと、を含んでいる。

前記の構成によれば、前記三次元形状計測方法は、前記各画像について、前記基準マークを用いて、前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出し、算出した当該座標と当該部分の前記高さとを組合せ、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成する。したがって、前記三次元形状計測方法は、前記部分の位置を、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに算出し、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができ、つまり、前記計測対象の三次元形状を正確に計測することができるという効果を奏する。

また、前記三次元形状計測方法は、前記各画像に撮像されている前記光切断線の各々が互いに異なる、前記複数の画像を取得するため、例えば、前記計測対象を載置した前記基準面を水平に移動させる場合、移動にふらつき等が発生したときにも、前記基準マークを用いて前記部分の前記座標を正確に算出することができる。つまり、前記三次元形状計測方法は、前記計測対象を載置した前記基準面を手動等のふらつきを発生させ得る方法で移動させた場合にも、前記基準マークを用いて、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

ここで、従来の三次元形状計測方法においては、線状光に対して計測対象を１方向のみに水平移動させるため、当該線状光が照射されない、影になる部分（光切断線が形成されない部分）が発生し得る。前記影になる部分（前記光切断線が形成されない部分）に前記線状光を照射するには、例えば、前記線状光に対して前記計測対象を水平に回転させる等すればよい。しかしながら、線状光に対して計測対象を水平回転させた場合、当該計測対象の表面に当該線状光により形成された光切断線の位置を特定するのは、当該線状光に対して当該計測対象を１方向に水平移動させた場合の当該光切断線の位置の特定よりもさらに困難である。

これに対し、本願発明に係る前記三次元形状計測方法は、前記基準マークを用いて前記部分の位置を算出するので、例えば前記基準面を水平回転させる等して得た前記複数の画像から、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに容易に、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができる。つまり、前記三次元形状計測方法は、「線状光に対して計測対象を１方向のみに水平移動させた場合には光切断線が形成されない部分（影になる部分）に、例えば前記基準面を水平回転させて当該線状光を照射して、光切断線を形成した画像」を含む、前記複数の画像から、前記基準マークを用いて、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

さらに、従来の三次元形状計測方法においては、線状光に対して計測対象を水平移動させる方向（移動方向）のスケールと、基準面において当該移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算が必要であることが一般に知られている。

これに対し、本願発明に係る前記三次元形状計測方法は、前記複数の画像の各々について、前記基準マークを用いて前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出するため、前記移動方向のスケールと、前記移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算を省略することができるという効果を奏する。

本発明の一態様によれば、三次元形状計測装置等について、外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いることなく、計測対象の三次元形状を正確に計測することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る三次元形状計測システムの三次元形状計測装置、照射装置、および撮像装置の要部構成を示すブロック図である。 図１の三次元形状計測システムの概要を示す図である。 図１の三次元形状計測装置の実行する処理を、図１の撮像装置から取得する画像を用いて説明する図である。 図１の三次元形状計測装置が、図１の撮像装置から取得した画像に対して実行する処理を説明する図である。 図１の三次元形状計測装置が、計測対象について、影の部分（図１の照射装置からの線状光が照射されない部分）の無い画像を取得する方法について説明する図である。 図１の三次元形状計測装置が利用するサーチ用マーク（マーク部分）の例を示す図である。 図１の三次元形状計測装置が、図１の撮像装置から取得した画像からマークを検出する方法を説明する図である。 図１の三次元形状計測装置が実行する処理の流れを示すフローチャートである。 従来の三次元形状計測システムの概要を示す図である。 図９の従来の三次元形状計測システムが、受光部の取得した二次元画像から、計測対象の三次元形状を示すデータを生成する方法を説明する図である。 計測対象について、投光部からの線状光が照射されない部分が発生するという、図９の従来の三次元形状計測システムの問題の１つを説明する図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一態様に係る三次元形状計測システム１について説明する前に、三次元形状計測システム１の理解を容易にするため、先ずは従来の三次元形状計測システム２について、図９から図１１に基づいて説明する。

（従来の三次元形状計測システムの概要）
図９は、従来の三次元形状計測システム２の概要を示す図である。図９に示すように、従来の三次元形状計測システム２は、エンコーダ５００と、コンベア６００と、投光部７００と、受光部８００と、従来の三次元形状計測装置９００と、を含んでいる。

投光部７００は、ステージに載置されている計測対象７０の表面にラインレーザ６０（線状光）を照射し、受光部８００は、ラインレーザ６０が照射されている計測対象７０を撮像して撮像画像を取得する。コンベア６００は、計測対象７０を載置するステージを含み、当該ステージを、受光部８００の主走査方向（図９におけるＹ方向）に直交する方向（以下「副走査方向」という。図９におけるＸ方向）に計測対象７０を水平移動させる。

エンコーダ５００は、コンベア６００により搬送されるステージ（または、ステージに載置されている計測対象７０）の位置を検出する。また、エンコーダ５００は、例えば、光切断処理（つまり、コンベア６００によるステージの水平移動および水平移動する計測対象７０の受光部８００による撮像）の実行を開始するとともに、計測対象７０（または、ステージ）の水平移動量を算出する。より正確に言えば、エンコーダ５００は、計測対象７０（または、ステージ）の水平移動に伴うエンコーダ５００の回転量をパルスで従来の三次元形状計測装置９００に出力する。そして、３次元形状計測装置９００が、エンコーダ５００から受け付けたパルス（エンコーダ５００の回転量を示すパルス）により、計測対象７０（または、ステージ）の移動量を計算する。したがって、３次元形状計測装置９００には、エンコーダ５００の１パルスあたりの移動量（ｍｍ/パルスまたは、ｍｍ/１回転）を事前に設定する作業が必要である。

以上に説明したエンコーダ５００と、コンベア６００と、投光部７００と、受光部８００とを含む従来の三次元形状計測システム２は、コンベア６００により計測対象７０（または、ステージ）を副走査方向に移動させつつ、受光部８００により逐次撮像する。そして、各々が、ラインレーザ６０により計測対象７０の表面に形成された１本の光切断線を含む、複数の画像を取得し、当該複数の画像から、計測対象７０全体の三次元形状を計測する。

ここで、従来の三次元形状計測システム２は、エンコーダ５００でコンベア６００の移動量を割出し、距離画像（計測対象７０全体の三次元形状を示す画像。以下、「点群」ともいう）を生成する。すなわち、従来の三次元形状計測システム２は、コンベア６００を用いて計測対象７０を水平移動させるとともに、エンコーダ５００でステージの位置、特に、ステージに平行な面における、前記光切断線のＸ座標を取得する。

なお、カメラ座標（ステージに平行な面の座標）におけるＹ座標の値は、実座標空間で固定という扱いで処理する。つまり、時間Ｔで取得した或る点の明るさＩ（Ｘ（Ｔ）、Ｙ（Ｔ））と、時間Ｔ＋１で取得した或る点の明るさＩ（Ｘ（Ｔ＋１）、Ｙ（Ｔ＋１））とについて、Ｘ座標の値はコンベア６００の移動に伴い変化するが、Ｙ座標の値は常に、「Ｙ（Ｔ）＝Ｙ（Ｔ＋１）」の関係を維持するものとして扱う。Ｙ座標の値が実座標空間で何ｍｍの位置であるのかについては、カメラ視野（受光部８００の視野）と画素数とから、予め計算しておく。したがって、Ｘ座標の値はコンベア６００の移動により変化するが、Ｙ座標の値は固定であり、予め既知である。

また、従来の三次元形状計測システム２は、ラインレーザプロファイルを行ない、つまり、計測対象７０の、前記光切断線が形成されている部分の高さ（Ｚ座標）を、三角測量の原理により算出する。そして、エンコーダ５００から取得した前記光切断線のＸ座標と、前記複数の画像の各々から算出した、前記光切断線が形成されている部分の高さ（Ｚ座標）とを組み合わせることにより、計測対象７０の距離画像を生成する。ここで、上述の通り、前記光切断線のＹ座標の値については、固定であり、予め既知であるものとして処理する。

なお、従来の三次元形状計測システム２は、エンコーダ５００を用いない場合、コンベア６００のステージ搬送速度を一定と仮定して、前記光切断線のＸ座標を取得する。例えば、従来の三次元形状計測システム２は、コンベア６００によってステージを一定速度で搬送させつつ、受光部８００に一定時間ごとに計測対象７０を撮像させることにより、所定の距離（所定の撮像位置）ごとの撮像画像を取得する。ただし、エンコーダ５００を用いずに、コンベア６００のステージ搬送速度を一定と仮定して前記光切断線のＸ座標を取得する場合、コンベア６００の搬送速度ムラ等が生じることにより、三次元計測の精度が低下する。

つまり、従来の三次元形状計測システム２は、計測対象７０の、前記光切断線が形成されている部分の高さ（Ｚ座標）を、前記撮像画像から算出する一方、前記光切断線のＸ座標を、前記撮像画像以外から（例えば、エンコーダ５００から、または、コンベア６００のステージ搬送速度等から）取得する。なお、上述の通り、前記光切断線のＹ座標の値については、固定であり、予め既知であるものとして処理する。

図１０は、従来の三次元形状計測システム２が、受光部８００の取得した二次元画像（撮像画像）から、計測対象７０の三次元形状を示すデータを生成する方法を説明する図である。

従来の三次元形状計測システム２（従来の三次元形状計測装置９００）は、コンベア６００により計測対象７０を一定量移動する毎に、計測対象７０を撮像した、複数の撮像画像（画像Ｉ０００、Ｉ００１、Ｉ００２、・・・Ｉ００Ｎ）を取得する。従来の三次元形状計測システム２は、前記複数の撮像画像の各々に撮像されている、１本の光切断線が形成されている部分のプロファイル（高さ情報、つまりＺ座標）を算出する。そして、エンコーダ５００から取得した前記部分のＸ座標とともに、前記Ｚ座標を距離画像メモリ上で整列して、距離画像（点群）を取得する。すなわち、前記光切断線が形成されている部分の高さ情報（Ｚ座標）と、当該部分のＸ座標とを従来の三次元形状計測装置９００において整列させる。ここで、上述の通り、前記部分のＹ座標の値については、固定であり、予め既知であるものとして処理する。

なお、エンコーダ５００を使わない場合、従来の三次元形状計測システム２は、コンベア６００による計測対象７０の搬送速度を一定に制御することにより、受光部８００が所定の時間間隔で撮像した撮像画像により、当該撮像画像に撮像されている前記部分のＸ座標を算出する。

図１０に示すように、受光部８００によって撮像された撮像画像（画像Ｉ０００、Ｉ００１、Ｉ００２、・・・Ｉ００Ｎ）は、各々、画素が受光部８００の主走査方向（Ｙ方向）に連続して配列された画像となっている。この直線状に画素が配列された撮像画像において、例えば画像Ｉ０００（Ｘ＝「０００」）において、従来の三次元形状計測装置９００は、その一端部（書き出し開始位置）から他端部（終端）に向かって順次高さを算出する。従来の三次元形状計測装置９００は、まず、主走査方向における画素の座標ｙを「０」にセットする。次に、三角測量の原理に基づいて、座標Ｙにおける計測対象７０の高さｚ（ステージからの距離）を算出する。従来の三次元形状計測装置９００は、このようにして算出した高さＺを、主走査方向の座標Ｙおよび副走査方向の座標Ｘと関連付けて、距離画像メモリに格納する（プロファイル算出処理）。

従来の三次元形状計測装置９００は、前記複数の撮像画像（画像Ｉ０００、Ｉ００１、Ｉ００２、・・・Ｉ００Ｎ）の各々に対して、前記プロファイル算出処理を繰り返すことにより、距離画像メモリに、計測対象７０の主走査方向に沿った各位置における高さ情報を蓄積する。

例えば、従来の三次元形状計測システム２は、先ず画像Ｉ０００（Ｘ＝「０００」）について前記プロファイル算出処理を実行する。そして、画像Ｉ０００に対する前記プロファイル算出処理が終了すると、コンベア６００が計測対象７０を所定の距離だけ副走査方向（Ｘ方向）にずらし、その後、受光部８００が計測対象７０を再び撮像し、撮像画像Ｉ００１（Ｘ＝「００１」）を取得する。つまり、撮像画像Ｉ００１には、画像Ｉ０００に撮像されている光切断線よりも前記所定の距離だけ副走査方向にずれた光切断線が撮像されている。

前記所定の距離ごとの撮像は、コンベア６００による搬送速度を一定に制御しつつ、受光部８００に一定時間ごとに計測対象７０を撮像させることにより実現することができる。また、エンコーダ５００は、コンベア６００が所定の距離だけステージを移動させるのを検出するたびに、従来の三次元形状計測装置９００に信号を送信し、当該信号を受信した従来の三次元形状計測装置９００は、受光部８００に撮像を実行させるとしてもよい。

従来の三次元形状計測システム２は、画像Ｉ０００に撮像されている光切断線よりも前記所定の距離だけ副走査方向にずれた光切断線が撮像されている撮像画像Ｉ００１に対し、再び前記プロファイル算出処理を実行する。そして、画像Ｉ００１に対する前記プロファイル算出処理が終了すると、コンベア６００が計測対象７０を所定の距離だけ副走査方向（Ｘ方向）にずらし、その後、受光部８００が計測対象７０を再び撮像し、撮像画像Ｉ００２（Ｘ＝「００２」）を取得する。そして、従来の三次元形状計測システム２は、画像Ｉ００２について前記プロファイル算出処理を実行する。

以上に説明した処理を繰り返すことにより、距離画像メモリには、副走査方向に沿った各位置における高さ情報も順次蓄積され、最終的に、計測対象７０全体の三次元形状情報が蓄積される（距離画像を形成する）。つまり、従来の三次元形状計測システム２においては、「コンベア６００が計測対象７０を所定の距離だけ移動させ、受光部８００が計測対象７０を撮像した撮像画像を取得し、従来の三次元形状計測装置９００が当該撮像画像を解析する」処理を繰り返すことによって、計測対象７０の三次元形状が計測される（計測対象７０の距離画像が生成される）。

なお、従来の三次元形状計測システム２において、各撮像画像（各撮像画像に撮像されている１本の光切断線）のＸ方向の位置（ｘ座標）は、エンコーダ５００のカウント値（またはコンベア６００による搬送速度）から換算される。従来の三次元形状計測システム２において、Ｘ方向のスケール（各Ｘ間の距離。例えば、Ｘ＝「０００」とＸ＝「００１」との距離、Ｘ＝「００１」とＸ＝「００２」との距離）は一定とされ、つまり、前記「所定の距離」とされる。

従来の三次元形状計測システム２において、Ｙ方向のスケールは、前記複数の撮像画像から取得することができるが、Ｘ方向のスケールは、前記複数の撮像画像からは算出することができない。そのため、従来の三次元形状計測システム２は、前記複数の撮像画像におけるＸ軸とＹ軸とのスケール合わせを別途に実行する必要がある。

より正確に言えば、従来の三次元形状計測システム２においては、原理と単位とが異なる２つの計測方法を突き合わせる必要がある。すなわち、Ｘ軸は、「Ｎパルス/１回転（エンコーダ５００）→ｍｍ/１回転（コンベア６００）→ｍｍ/１パルス（コンベア６００）」で変換する。一方、Ｙ軸は、Ｙ軸方向のカメラ視野範囲（受光部８００の視野範囲）とカメラ（受光部８００）のＹ軸の画素数とから、「ｍｍ/画素」で換算する。つまり、従来の三次元形状計測システム２においては、エンコーダ５００の「ｍｍ/１パルス」とカメラ（受光部８００）の「ｍｍ/画素」とから、「エンコーダ５００の１パルス＝カメラ（受光部８００）の画素」の換算が必要になる。

図１１は、計測対象７０について、投光部７００からのラインレーザ６０（線状光）が照射されない部分が発生するという、従来の三次元形状計測システム２の問題の１つを説明する図である。

図９を用いて説明したように、従来の三次元形状計測システム２においては、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向（副走査方向、つまりＸ方向）のみに水平移動させる。計測対象７０を１方向に水平移動させた場合、図１１に示すように、計測対象７０には、ラインレーザ６０が照射されない、影になる部分７１（光切断線が形成されない部分）が発生し得る。当然、影になる部分７１については、前記プロファイル算出処理を実行することができず、つまり高さを算出することができない。

影になる部分７１にラインレーザ６０を照射するには、例えば、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平に回転させる等すればよい。しかしながら、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平回転させた場合、ラインレーザ６０により形成された光切断線の位置を、エンコーダ５００を用いて特定するのは、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向に水平移動させた場合の当該光切断線の位置の特定よりもさらに困難である。したがって、従来の三次元形状計測システム２は、影になる部分７１（光切断線が形成されない部分）にラインレーザ６０を照射して撮像した撮像画像を取得するのが困難である。

さらに、従来の三次元形状計測システム２は、つまり、コンベア６００を用いて計測対象７０（または、ステージ）を水平移動させる方法は、一方方向（Ｘ軸方向のみ）にしか計測対象７０（または、ステージ）が動かないため、再走査を行わない。また、従来の三次元形状計測システム２においては、計測対象７０（または、ステージ）を回転させたとしても、回転に追従したメモリ上での再構成を行わない。そのため、従来の三次元形状計測システム２においては、ワーク（計測対象７０）を回転させた後に、再度コンベア６００を用いて水平移動させたとしても、意味のある距離画像（点群）を合成することができない。

これまで図９から図１１を用いて説明してきた従来の三次元形状計測システム２は、以下のように整理することができる。すなわち、すなわち、従来の三次元形状計測システム２は、エンコーダ５００等を用いて、プロファイル算出処理を実行する部分（前記光切断線が形成されている部分）のＸ座標を取得する。また、上述の通り、前記プロファイル算出処理を実行する部分のＹ座標の値については、固定であり、予め既知であるものとして処理する。

したがって、従来の三次元形状計測システム２は、エンコーダ５００等や、ロボット（例えば、コンベア６００）などの厳密な移動機構を必要とするため、システム構成が複雑となり、また、システムの構築費用が高額となる。また、従来の三次元形状計測システム２は、エンコーダ５００を用いずに前記部分のＸ座標を取得しようとする場合、コンベア６００によるステージの搬送速度が一定であると仮定しなければならない。したがって、エンコーダ５００を用いない場合、従来の三次元形状計測システム２は、コンベア６００によるステージの搬送速度の揺らぎの影響を受ける。さらに、従来の三次元形状計測システム２は、コンベア６００によるステージの搬送について、主走査方向（Ｙ軸方向）へのばたつきが、距離画像に直接影響する。例えば、コンベア６００による搬送が水平方向に左右に揺れると、その左右の揺れの分だけ、距離画像にズレが発生する。加えて、従来の三次元形状計測システム２は、前記複数の撮像画像からは、各撮像画像の（より正確には、各撮像画像に撮像されている光切断線の）Ｘ座標を算出することができないため、Ｘ軸方向とＹ軸方向とのスケール合わせを行う必要がある。また、従来の三次元形状計測システム２は、１方向に水平移動させただけでは前記プロファイル算出処理を実行することができない（つまり、高さを算出することができない）影になる部分７１にラインレーザ６０を照射して撮像した撮像画像を取得するのが困難である。

上記のように整理することのできた従来の三次元形状計測システム２と対比させて、本発明の実施形態１に係る三次元形状計測システム１を、図１から図８に基づいて以下に説明していく。先ず、三次元形状計測システム１の概要を、図２を用いて説明しておく。

（本発明に係る三次元形状計測システムの概要）
図２は、三次元形状計測システム１の概要を示す図である。図２に示すように、三次元形状計測システム１は、三次元形状計測装置１０と、照射装置２０と、撮像装置３０とを含んでいる。

照射装置２０は、ステージ５０に載置された計測対象７０にラインレーザ６０（線状光）を照射するものであり、従来の三次元形状計測システム２における投光部７００に対応するものである。

撮像装置３０は、ラインレーザ６０により計測対象７０の表面に形成された光切断線を撮像するカメラ（二次元カメラ）であり、従来の三次元形状計測システム２における受光部８００に対応するものである。撮像装置３０は、水平移動されるステージ５０に載置された計測対象７０について、複数の画像を撮像し、当該複数の画像の各々に撮像されている前記光切断線の各々は、互いに異なっているものとする。また、前記複数の画像の各々には、計測対象７０との相対位置が変化しない、非対称な形状のサーチ用マーク４０（基準マーク）が撮像されている。すなわち、撮像装置３０は、サーチ用マーク４０と、（例えば１本の）光切断線とが撮像された複数の画像を取得し、当該複数の画像（当該複数の画像の画像データ）を、三次元形状計測装置１０に送信する。

三次元形状計測装置１０は、撮像装置３０から取得した複数の画像を解析することによって、計測対象７０の三次元形状、例えば、計測対象７０の表面に設けられた凹部の奥行き、凸部の高さ、および、それらの位置などを計測する装置である。その使用用途は特に限定されないが、例えば実装基板を検査する装置などに適用することができる。

最初に三次元形状計測装置１０の概要を説明しておけば、以下の通りである。すなわち、三次元形状計測装置１０は、ステージ５０（基準面）に載置された計測対象７０の表面にラインレーザ６０（線状光）により形成された光切断線と、計測対象７０との相対位置が変化しない、非対称な形状のサーチ用マーク４０（基準マーク）とが撮像された複数の画像（画像Ｉ０００、Ｉ００１、Ｉ００２、・・・、Ｉ００Ｎ）を取得する画像取込み制御部１０２（取得部）と、前記各画像について、計測対象７０の、前記光切断線が形成されている部分のステージ５０からの高さを算出する距離プロファイル抽出部１０６（高さ算出部）と、前記各画像について、サーチ用マーク４０を用いて、前記部分の、ステージ５０に平行な面における座標を算出するマークサーチ部１０４（座標算出部）と、前記各画像から算出された前記高さと前記座標とを組み合わせ、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成するプロファイル位置補正部１０７（マップ生成部）と、を備えている。

前記の構成によれば、三次元形状計測装置１０は、前記各画像について、サーチ用マーク４０を用いて、前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出し、算出した当該座標と当該部分の前記高さとを組合せ、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成する。したがって、三次元形状計測装置１０は、前記部分の位置を、エンコーダ（例えば、従来の三次元形状計測システム２におけるエンコーダ５００）等の外部の位置計測装置、または、ロボット（例えば、従来の三次元形状計測システム２におけるコンベア６００）等の精密な移動機構を用いずに算出し、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができ、つまり、計測対象７０の三次元形状を正確に計測することができるという効果を奏する。

また、三次元形状計測装置１０は、前記各画像に撮像されている前記光切断線の各々が互いに異なる、前記複数の画像を取得するため、例えば、計測対象７０を載置したステージ５０を水平に移動させる場合、移動にふらつき等が発生したときにも、サーチ用マーク４０を用いて前記部分の前記座標を正確に算出することができる。つまり、三次元形状計測装置１０は、計測対象７０を載置したステージ５０を手動等のふらつきを発生させ得る方法で移動させた場合にも、サーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

ここで、従来の三次元形状計測システム２においては、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向のみに水平移動させるため、当該ラインレーザ６０が照射されない、影になる部分７１（光切断線が形成されない部分）が発生し得る。影になる部分７１（前記光切断線が形成されない部分）にラインレーザ６０を照射するには、例えば、前記ラインレーザ６０に対して前記計測対象７０を水平に回転させる等すればよい。しかしながら、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平回転させた場合、計測対象７０の表面に当該ラインレーザ６０により形成された光切断線の位置を特定するのは、当該ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向に水平移動させた場合の当該光切断線の位置の特定よりもさらに困難である。

これに対し、本願発明に係る三次元形状計測装置１０は、サーチ用マーク４０を用いて前記部分の位置を算出するので、例えばステージ５０を水平回転させる等して得た前記複数の画像から、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに容易に、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができる。つまり、三次元形状計測装置１０は、「ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向のみに水平移動させた場合には光切断線が形成されない部分（影になる部分７１）に、例えばステージ５０を水平回転させて当該ラインレーザ６０を照射して、光切断線を形成した画像」を含む、前記複数の画像から、サーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

さらに、従来の三次元形状計測システム２においては、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平移動させる方向（移動方向）のスケールと、ステージ５０において当該移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算が必要であることが一般に知られている。

これに対し、本願発明に係る三次元形状計測装置１０は、前記複数の画像の各々について、サーチ用マーク４０を用いて前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出するため、前記移動方向のスケールと、前記移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算を省略することができるという効果を奏する。

ここで、三次元形状計測装置１０のマークサーチ部１０４は、サーチ用マーク４０を撮像した画像における、サーチ用マーク４０の位置を基準位置Ｐ０として予め登録しており、前記複数の画像の各々に含まれるサーチ用マーク４０の位置の、基準位置Ｐ０からの平行移動量および回転移動量の少なくとも一方に基づき、前記複数の画像の各々について、前記部分の前記座標を算出する。

前記の構成によれば、三次元形状計測装置１０は、前記複数の画像の各々に含まれるサーチ用マーク４０の位置の、基準位置Ｐ０からの平行移動量および回転移動量の少なくとも一方に基づき、前記複数の画像の各々について、前記部分の前記座標を算出する。したがって、三次元形状計測装置１０は、前記各画像の前記部分の位置を、エンコーダ等を用いずに、サーチ用マーク４０の位置の、基準位置Ｐ０からの移動量から算出し、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

図２に示すように、サーチ用マーク４０は、ステージ５０に付されている。前記の構成によれば、三次元形状計測装置１０は、前記各画像について、ステージ５０に付されているサーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成する。したがって、三次元形状計測装置１０は、前記各画像の前記部分の位置を、エンコーダ等を用いずに、ステージ５０に付されているサーチ用マーク４０を用いて算出し、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

なお、詳細は図６を用いて後述するが、サーチ用マーク４０がステージ５０に付されていることは、本発明において必須ではない。サーチ用マーク４０は、例えば、計測対象７０自体が備える、ステージ５０に平行な面において計測対象７０に対して非対称な形状のマーク部分４１であってもよい。

以上に概要を整理してきた三次元形状計測装置１０と、照射装置２０と、撮像装置３０とを含む三次元形状計測システム１は、次のように整理することができる。すなわち、三次元形状計測システム１は、ステージ５０に載置された計測対象７０にラインレーザ６０を照射する照射装置と、前記照射装置によって照射されたラインレーザ６０により計測対象７０の表面に形成された光切断線と、計測対象７０との相対位置が変化しない、非対称な形状のサーチ用マーク４０とを撮像した複数の画像を取得する撮像装置と、前記撮像装置によって取得された前記各画像について、計測対象７０の、前記光切断線が形成されている部分のステージ５０からの高さを算出するとともに、サーチ用マーク４０を用いて、当該部分の、ステージ５０に平行な面における座標を算出し、当該高さと当該座標とを組み合わせ、計測対象７０について、前記座標ごとの、前記高さを示すデータを生成する三次元形状計測装置１０と、を含んでいる。

前記の構成によれば、三次元形状計測システム１は、前記撮像装置が取得した前記各画像について、サーチ用マーク４０を用いて、前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出し、算出した当該座標と当該部分の前記高さとを組合せ、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成する。したがって、三次元形状計測システム１は、前記部分の位置を、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに算出し、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができ、つまり、計測対象７０の三次元形状を正確に計測することができるという効果を奏する。

また、三次元形状計測システム１は、前記各画像に撮像されている前記光切断線の各々が互いに異なる、前記複数の画像を取得するため、例えば、計測対象７０を載置したステージ５０を水平に移動させる場合、移動にふらつき等が発生したときにも、サーチ用マーク４０を用いて前記部分の前記座標を正確に算出することができる。つまり、三次元形状計測システム１は、計測対象７０を載置したステージ５０を手動等のふらつきを発生させ得る方法で移動させた場合にも、サーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

ここで、従来の三次元形状計測システム２においては、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向のみに水平移動させるため、当該ラインレーザ６０が照射されない、影になる部分７１（光切断線が形成されない部分）が発生し得る。影になる部分７１（前記光切断線が形成されない部分）にラインレーザ６０を照射するには、例えば、前記ラインレーザ６０に対して前記計測対象７０を水平に回転させる等すればよい。しかしながら、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平回転させた場合、計測対象７０の表面に当該ラインレーザ６０により形成された光切断線の位置を特定するのは、当該ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向に水平移動させた場合の当該光切断線の位置の特定よりもさらに困難である。

これに対し、本願発明に係る三次元形状計測システム１は、サーチ用マーク４０を用いて前記部分の位置を算出するので、例えばステージ５０を水平回転させる等して得た前記複数の画像から、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに容易に、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができる。つまり、三次元形状計測システム１は、「ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向のみに水平移動させた場合には光切断線が形成されない部分（影になる部分７１）に、例えばステージ５０を水平回転させて当該ラインレーザ６０を照射して、光切断線を形成した画像」を含む、前記複数の画像から、サーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

さらに、従来の三次元形状計測システム２においては、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平移動させる方向（移動方向）のスケールと、ステージ５０において当該移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算が必要であることが一般に知られている。

これに対し、本願発明に係る三次元形状計測システム１は、前記複数の画像の各々について、サーチ用マーク４０を用いて前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出するため、前記移動方向のスケールと、前記移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算を省略することができるという効果を奏する。

以上のように概要を整理してきた三次元形状計測システム１について、次に、図１を用いて詳細を説明する。

（三次元形状計測装置のブロック図）
図１は、本発明の実施形態１に係る三次元形状計測システム１の三次元形状計測装置１０、照射装置２０、および撮像装置３０の要部構成を示すブロック図である。図１に示すように、三次元形状計測装置１０は、制御部１００、記憶部２００、および表示部３００を備えている。表示部３００は、画面表示を行う表示領域を有しており、当該表示領域において、画面表示により、ユーザに対して情報提供を行うものである。表示部３００は、表示制御部１１２から受信した画面データに基づいて、表示画面に文字、画像などの各種の情報を表示し、例えば、図２に例示するような、撮像装置３０が撮像した撮像画像（生画像）、後述するサーチ用画像、および、距離画像を表示する。表示部３００は、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）、ＥＬ（Electroluminescence）ディスプレイなどの表示装置によって実現可能である。ここで、表示部３００は、例えばタッチパネルになっており、入力機能を兼ね備えていてもよい。ユーザは、タッチパネル（表示部３００）を操作して、三次元形状計測装置１０、三次元形状計測システム１に関する操作を行うことができる。なお、キーボード、マウスなどの入力操作部（図示省略）を別途備えて、表示部３００として、タッチパネルでない表示部を用いてもよい。

（制御部の構成）
制御部１００は、三次元形状計測装置１０の機能を統括して制御するものである。図示の制御部１００には、機能ブロックとして、照射制御部１０１、画像取込み制御部１０２、画像分離部１０３、マークサーチ部１０４、マーク登録部１０５、距離プロファイル抽出部１０６、プロファイル位置補正部１０７、マップ補正部１０８、距離画像メモリ補間部１０９、検査・計測部１１０、画像化部１１１、および、表示制御部１１２が含まれている。上述した制御部１００の各機能ブロックは、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）などが、ＲＯＭ（read only memory）、ＮＶＲＡＭ（non-Volatile random access memory）等で実現された記憶装置（記憶部２００）に記憶されているプログラムを不図示のＲＡＭ（random access memory）等に読み出して実行することで実現できる。

照射制御部１０１は、照射装置２０を制御して、ラインレーザ６０のＯＮ／ＯＦＦの切り替え、および、ラインレーザ６０の強度等を制御する。画像取込み制御部１０２は、画像の取り込み処理（つまり、撮像装置３０による撮像処理）の開始／終了を制御する。また、画像取込み制御部１０２は、撮像装置３０が撮像した画像のデータ（二次元データ）を、撮像装置３０から取得し、撮像画像テーブル２０１に格納する。画像分離部１０３は、撮像画像テーブル２０１に格納されている二次元データ（撮像装置３０が撮像した画像のデータ）を、距離プロファイル抽出用画像のデータと、サーチ用画像（マーク４０のサーチ用画像）のデータとに分離する。

マークサーチ部１０４は、前記サーチ用の画像に対して二次元サーチ処理（画像中からマーク４０を検出し、マーク４０の位置を特定する処理）を実行することにより、当該画像におけるマーク４０の位置等（Ｘ,Ｙ,θ）を抽出する。マーク登録部１０５は、二次元サーチ処理の対象であるマーク４０の登録と、基準位置Ｐ０の登録とを行ない、具体的には、マーク４０と基準位置Ｐ０とをマーク・基準位置テーブル２０２に格納する。

距離プロファイル抽出部１０６は、前記距離プロファイル抽出用画像から、１ライン分の高さプロファイルを算出する。すなわち、前記距離プロファイル抽出用の画像に撮像されている、前記光切断線が形成されている部分の高さ（Ｚ座標）を、三角測量の原理により算出する。

プロファイル位置補正部１０７は、マークサーチ部１０４による前記二次元サーチ処理の結果を用いて、距離プロファイル抽出部１０６が算出したプロファイルの（Ｘ，Ｙ）座標を補正し、距離画像テーブル２０３に格納する。例えば、或る画像について、当該画像中のマーク４０の位置等（Ｘ,Ｙ,θ）を用いて、前記光切断線が形成されている部分の（Ｘ，Ｙ）座標を補正し、補正した（Ｘ，Ｙ）座標と、距離プロファイル抽出部１０６により算出された当該部分の高さ（Ｚ座標）とを組み合わせて、距離画像テーブル２０３に格納する。

マップ補正部１０８は、プロファイル位置補正部１０７により距離画像テーブル２０３に格納されたデータを周知の画像補間方法によって補正し（補間し）、例えば、距離画像メモリ補間部１０９を含む。距離画像メモリ補間部１０９は、データの欠損点を、隣接画素（隣接データ）の平均画素等を利用して補間する。距離画像メモリ補間部１０９は、線形補間、Ｎ次曲線（曲面）、スプライン補間等を利用して補間してもよく、距離画像メモリ補間部１０９による補間方法は特に問わない。

検査・計測部１１０は、距離画像テーブル２０３に格納されているデータを用いて、検査、計測等の各種処理を実行する。検査、計測等の各種処理の内容は任意である。画像化部１１１は、距離画像テーブル２０３に格納されているデータを、濃淡画像、またはカラー画像に変換し、つまり、計測対象７０の三次元形状を示す画像である距離画像（点群）を生成して、表示部３００において表示可能にする。表示制御部１１２は、表示部３００を制御して各種データを表示し、図２に例示するように、撮像装置３０が撮像した撮像画像（生画像）、後述するサーチ用画像、距離画像、および検査・計測部１１０による各種検査・計測処理の実行結果を表示する。

（記憶部の構成）
記憶部２００は、三次元形状計測装置１０が使用する各種データを格納する記憶装置である。記憶部２００は、三次元形状計測装置１０の制御部１００が実行する（１）制御プログラム、（２）ＯＳプログラム、（３）制御部１００が、三次元形状計測装置１０の有する各種機能を実行するためのアプリケーションプログラム、および、（４）該アプリケーションプログラムを実行するときに読み出す各種データを非一時的に記憶するものである。例えば、上記の（１）〜（４）のデータは、ＲＯＭ（read only memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically EPROM）、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の不揮発性記憶装置に記憶される。

三次元形状計測装置１０は、図示しない一時記憶部を備えていてもよい。一時記憶部は、三次元形状計測装置１０の実行する各種処理の過程で、演算に使用するデータおよび演算結果等を一時的に記憶するいわゆるワーキングメモリであり、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性記憶装置で構成される。どのデータをどの記憶装置に記憶するのかについては、三次元形状計測装置１０の使用目的、利便性、コスト、または、物理的な制約などから適宜決定される。

記憶部２００には、さらに、撮像画像テーブル２０１、マーク・基準位置テーブル２０２、および距離画像テーブル２０３が格納されている。

撮像画像テーブル２０１には、画像取込み制御部１０２が撮像装置３０から取得した二次元データが格納される。すなわち、計測対象７０の表面にラインレーザ６０より形成された光切断線と、サーチ用マーク４０とが撮像された複数の画像の画像データが、撮像画像テーブル２０１に格納されている。

マーク・基準位置テーブル２０２には、二次元サーチ処理（画像中からマーク４０を検出し、マーク４０の位置を特定する処理）の対象であるサーチ用マーク４０（または、マーク部分４１）と、基準位置Ｐ０とが、マーク登録部１０５により格納される。

距離画像テーブル２０３は、計測対象７０の三次元形状情報を格納するためのテーブルである。距離画像テーブル２０３には、計測対象７０の表面上の点を特定するＸ座標（副走査方向に相当）、Ｙ座標（主走査方向に相当）、Ｚ座標（高さに相当）が関連付けて格納される。これにより、計測終了後に、計測対象７０のＸ座標およびＹ座標に基づいて、その位置における高さ（Ｚ座標）を検索することができる。

以上に詳細を説明した構成を備える三次元形状計測装置１０について、次に、三次元形状計測装置１０の実行する処理を図３から図８を用いて説明していく。

（三次元形状計測装置の処理内容）
図３は、三次元形状計測装置１０の実行する処理を、撮像装置３０から取得する画像を用いて説明する図である。

図３の（ａ）に示すように、三次元形状計測装置１０は、先ず、ラインレーザ６０がサーチ用マーク４０上のある位置を基準状態とする。三次元形状計測装置１０は、この基準状態を撮像装置３０に撮像させ、ステージ５０に平行な面おけるサーチ用マーク４０の座標位置、つまり、サーチ用マーク４０のカメラ座標系の（Ｘ,Ｙ,θ）を認識する。具体的には、マークサーチ部１０４が、撮像装置３０が基準状態を撮像した撮像画像から、サーチ用マーク４０を検出し、サーチ用マーク４０の位置を特定する。

次に、図３の（ｂ）に示すように、三次元形状計測装置１０（具体的には、マーク登録部１０５）は、基準状態にあるサーチ用マーク４０の座標位置を、基準位置Ｐ０（Ｘｓ，Ｙｓ，θｓ＝「０」）として、サーチ用マーク４０と併せて、マーク・基準位置テーブル２０２に格納する。マーク登録部１０５は、また、サーチモデルＭ１をマーク・基準位置テーブル２０２に格納（登録）してもよい。

サーチモデルＭ１は、例えば、図３の（ｂ）において実線で示されている長方形の内側であって、点線で示されている長方形の外側の領域を有する中空の形状である。サーチモデルＭ１を、図３の（ｂ）に示すような中空の形状とし、中空領域内の画像をサーチ対象（サーチ用マーク４０の検出対象）としないことによって、サーチ用マーク４０の検出精度および検出速度の向上を実現することができる。例えば、図３に示すように、サーチ用マーク４０が２つの部分（５角の星形と４角の星形）を含む場合、一方の部分（例えば、５角の星形）のみを検出することができれば、当該一方の部分を中心としてサーチモデルＭ１を画像平面上で回転させることで容易に、他方の部分（例えば、４角の星形）を容易に検出することができる。

また、サーチモデルＭ１を用いることにより、サーチ用マーク４０の回転角θの計測精度を高くすることができる。ここで、サーチ用マーク４０は、大きく細長い方が回転角θの計測精度が高くなる。一方、サーチ用マーク４０を大きくし過ぎると、光切断線の形成される部分（プロファイルを計測する部分）とサーチ用マーク４０とがオーバーラップする（重なる）ようになる。その結果、サーチ用マーク４０の検出精度が低下するだけでなく、光切断線が形成されている部分（光切断プロファイル）とサーチ用マーク４０との分離性が悪くなる（撮像画像において、両者を区別することが困難になる）。

そこで、中空の形状を有するサーチモデルＭ１を用いる。すなわち、図３の（ｂ）に示すように、中空形状のサーチモデルＭ１を用いて、サーチ用マーク４０の特徴が多い部分が画面（撮像画像）の上下端に来るように配置したサーチ用マーク４０を検出するとともに、画面の中央部はサーチモデルＭ１による検出の対象としない（マスクする）。これにより、サーチ用マーク４０の回転角θの計測精度を維持しつつ、光切断プロファイルとサーチ用マーク４０との分離性を向上させることができる。

三次元形状計測装置１０は、サーチ用マーク４０、基準位置Ｐ０（Ｘｓ，Ｙｓ，θｓ＝「０」）、およびサーチモデルＭ１を登録した後、ステージ５０に計測対象７０を載置して、計測対象７０の三次元形状の計測を開始する。

図３の（ｃ）および（ｄ）の各画像について、三次元形状計測装置１０（具体的には、マークサーチ部１０４）は、各画像におけるサーチ用マーク４０の検出位置Ｐｎ等（Ｘｎ，Ｙｎ，θｎ）を特定する。そして、各画像について、プロファイル位置補正部１０７は、マークサーチ部１０４が特定した検出位置Ｐｎ等を用いて、アフィン変換により、光切断線が形成されている部分の位置を算出する。例えば、サーチ用マーク４０の検出位置Ｐｍ等が座標（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）である画像における、前記光切断線が形成されている部分の、ステージ５０に平行な面における座標（Ｘ，Ｙ）は、

により算出することができる。つまり、マークサーチ部１０４は、基準位置Ｐ０に対する、サーチ用マーク４０の検出位置Ｐｎ（Ｘｎ，Ｙｎ，θｎ）のＸ方向・Ｙ方向のズレからステージ５０の移動量を計算し、回転角θから角度方向のズレ角を計算する（二次元サーチ処理）。

また、三次元形状計測装置１０の距離プロファイル抽出部１０６は、図３の（ｃ）および（ｄ）の各画像から、１ライン分の高さプロファイルを算出する。例えば、サーチ用マーク４０の検出位置Ｐｍ等が座標（Ｘｍ，Ｙｍ，θｍ）である画像について、当該画像に撮像されている、光切断線が形成されている部分の高さ（Ｚ座標）を、三角測量の原理により算出する（プロファイル算出処理）。

そして、三次元形状計測装置１０のプロファイル位置補正部１０７は、マークサーチ部１０４の算出した前記移動量と前記ズレ角とを用いて、取得した１ラインの位置（光切断線の形成されている部分の位置）を並進・回転させ、距離画像テーブル２０３に格納する。図３の（ｅ）は、前記二次元サーチ処理の結果を用いて補正されたプロファイル（光切断線の形成されている部分の高さ情報）のイメージを示す図である。

つまり、サーチ用マーク４０を撮像した画像において、マークサーチ部１０４が検出し特定したサーチマーク４０の位置を、マーク登録部１０５が基準位置Ｐ０として予めマーク・基準位置テーブル２０２に格納する。そして、ステージ５０を移動させつつ計測対象７０を撮像した複数の画像（サーチ用マーク４０と、計測対象７０の光切断線の形成されている部分を撮像した画像）の各々から、マークサーチ部１０４がサーチ用マーク４０を検出する。プロファイル位置補正部１０７は、マークサーチ部１０４が検出したサーチ用マーク４０の検出位置Ｐｎの、基準位置Ｐ０からの平行移動量および回転移動量の少なくとも一方に基づき、前記複数の画像の各々について、計測対象７０の光切断線の形成されている部分の座標（Ｘ，Ｙ）を算出する。

つまり、三次元形状計測装置１０は、前記複数の画像の各々について、計測対象７０の光切断線の形成されている部分の座標（Ｘ，Ｙ）を、エンコーダ等を用いずに、サーチ用マーク４０の検出位置Ｐｎの、基準位置Ｐ０からの移動量から算出し、計測対象７０について、座標（Ｘ，Ｙ）ごとの高さ（Ｚ）を示すデータを生成することができる。

なお、基準位置Ｐ０（Ｘｓ，Ｙｓ，θｓ＝「０」）は、プロファイルのＸ座標およびＹ座標をアフィン変換する際の、中心になる位置である。ここで、θｓは、内部で三角関数のテーブルを作成する都合上、「０」にしている。θｓを「０」にすることは必須ではないが、計算とメモリ節約上の都合とを考慮した場合、θｓを「０」にするのが好適である。

図４は、三次元形状計測装置１０が、撮像装置３０から取得した画像に対して実行する処理を説明する図である。

三次元形状計測装置１０の画像分離部１０３は、撮像装置３０が撮像した複数の画像（画像Ｉ０００、Ｉ００１、Ｉ００２、・・・Ｉ００Ｎ）を、距離プロファイル抽出用画像（１−１）と、サーチ用画像（１−２）とに分離する。

距離プロファイル抽出部１０６は、距離プロファイル抽出用画像（１−１）の各々に対して前記プロファイル算出処理を実行し、つまり、プロファイル（光切断線の形成されている部分の高さ情報）を分離（抽出）する。

マークサーチ部１０４は、サーチ用画像（１−２）の各々に対して前記二次元サーチ処理を実行し、つまり、基準位置Ｐ０に対する、サーチ用マーク４０の検出位置Ｐｎ（Ｘｎ，Ｙｎ，θｎ）のＸ方向・Ｙ方向のズレからステージ５０の移動量を計算し、回転角θから角度方向のズレ角を計算する。

プロファイル位置補正部１０７は、マークサーチ部１０４の算出した前記移動量と前記ズレ角とを用いて、距離プロファイル抽出部１０６により高さが算出された１ライン（光切断線の形成されている部分）の位置および角度を補正する（アフィン変換）。プロファイル位置補正部１０７は、前記補正を行った距離画像（点群）を生成し（図４の（２））、補正した距離画像を距離画像テーブル２０３に格納する（図４の（３））。

なお、図４の（３）に示すように、画像Ｉ００１（Ｘ１,Ｙ１,θ１）から求めた１ライン（光切断線の形成されている部分）のプロファイルと、画像Ｉ００２（Ｘ２,Ｙ２,θ２）から求めた１ラインのプロファイルとが重複する位置（重複位置ＰＷ）が発生することがある。この場合、重複位置ＰＷのプロファイルとして、画像Ｉ００１から算出されたプロファイルを用いるか、または、画像Ｉ００２から算出されたプロファイルを用いるかは、以下のように決定してもよい。すなわち、単純上書きし、つまり、重複位置ＰＷのプロファイルとして、画像Ｉ００２から算出されたプロファイルを用いるとしてもよい。また、画像Ｉ００２に撮像されている光切断線の輝度が画像Ｉ００１に撮像されている光切断線の輝度よりも高い場合には画像Ｉ００２から算出されたプロファイルを用い、低い場合は画像Ｉ００１から算出されたプロファイルを用いるとしてもよい。さらに、配置済の領域には再配置しないとし、つまり、重複位置ＰＷのプロファイルとしては、画像Ｉ００２から算出されたプロファイルは用いず、画像Ｉ００１から算出されたプロファイルを用いるとしてもよい。

図５は、三次元形状計測装置１０が、計測対象７０について、影の部分７１（照射装置２０からの線状光が照射されない部分）の無い画像を取得する方法について説明する図である。

図１１を用いて説明したように、従来の三次元形状計測システム２は、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向（副走査方向、つまりＸ方向）のみに水平移動させるため、影になる部分７１（光切断線が形成されない部分）が発生し、影になる部分７１については、前記プロファイル算出処理を実行することができなかった。

これは、従来の三次元形状計測システム２が、エンコーダ５００を用いて前記光切断線の位置を特定するため、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平回転等させた場合に、当該光切断線の位置を特定するのが極めて困難になるためであった。

これに対して、三次元形状計測装置１０は、エンコーダ５００等を用いずに前記光切断線の位置を特定するため、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平回転等させて撮像した画像からであっても容易に、前記光切断線の位置を特定することができる。つまり、三次元形状計測装置１０は、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平回転等させて、影になる部分７１にラインレーザ６０を照射して撮像した撮像画像から前記光切断線の位置を特定することができる。したがって、三次元形状計測装置１０は、計測対象７０を１方向のみに水平移動させた場合には影になる部分７１についても、ラインレーザ６０を照射してプロファイルを算出することができる。

例えば、図５の（ａ）に示すように、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向に水平移動させつつ計測対象７０を撮像し、その後、計測対象７０を、ステージ５０に平行な面で１８０度回転させてから当該１方向と逆方向に水平移動させつつ計測対象７０を撮像する。つまり、計測対象７０を１方向のみに水平移動させた場合には影になる部分７１が影にならない（ラインレーザ６０を照射できる）方向で、もう一度、ラインレーザ６０の下を通す。このようにして取得した複数の画像の各々から、三次元形状計測装置１０は、前記二次元サーチ処理を実行することにより、エンコーダ５００等を用いずに、前記光切断線の位置を特定することができる。

同様に、図５の（ｂ）に示すように、ラインレーザ６０の下で計測対象７０を水平回転（１回転）させることにより、計測対象７０を１方向のみに水平移動させた場合には影になる部分７１についても、ラインレーザ６０を照射した（光切断線が形成された）画像を取得することができる。したがって、三次元形状計測装置１０は、影になる部分７１についても、ラインレーザ６０を照射してプロファイルを算出することができる。

つまり、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向に水平移動させただけではプロファイルを算出できない部分についても、三次元形状計測装置１０は、容易に当該部分のプロファイルを算出することができ、計測対象７０の正確な距離画像を生成することができる。

また、三次元形状計測装置１０は、サーチ用マーク４０を用いて前記二次元サーチ処理を実行して前記光切断線の位置を特定する。したがって、三次元形状計測装置１０は、厳密に水平と設置位置とが定義された正確な回転台を用いずに、当該回転台に載置した計測対象７０を水平回転等させて取得した複数の画像から、影になる部分７１についてのプロファイルを算出することができる。

（サーチ用マークについて）
図６は、三次元形状計測装置１０が利用するサーチ用マーク４０（マーク部分４１）の例を示す図である。図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は各々、ステージ５０に付されているサーチ用マーク４０の一例を示す図である。図６の（ａ）〜（ｃ）に示すように、サーチ用マーク４０は、計測対象７０と相対位置が変化しない、非対称な形状であればよく、二次元サーチ処理により検出可能で、ステージ５０に平行な面おける（Ｘ,Ｙ,θ）が一意に決定できる形状であればよい。

図６の（ｄ）は、計測対象７０自体が備えているサーチ用マーク４０である、マーク部分４１の一例を示す図である。三次元形状計測装置１０が利用するサーチ用マーク４０は、計測対象７０自体が備えるマーク部分４１であってもよい。前記の構成によれば、三次元形状計測装置１０は、前記各画像について、計測対象７０自体が備えるサーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。したがって、三次元形状計測装置１０は、前記各画像の、ラインレーザ６０（線状光）により光切断線が形成されている部分の位置を、エンコーダ等を用いずに、計測対象７０自体が備えるサーチ用マーク４０を用いて算出し、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

マーク部分４１は、計測対象７０自体が備える形状であって、計測対象７０と相対位置が変化しない、非対称な形状である。つまり、マーク部分４１は、計測対象７０自体が備える、ステージ５０に平行な面において計測対象７０に対して非対称な形状である。

（マークと光切断線との分離方法）
前述のとおり、撮像装置３０が撮像した複数の画像（画像Ｉ０００、Ｉ００１、Ｉ００２、・・・Ｉ００Ｎ）の各々には、計測対象７０との相対位置が変化しない、非対称な形状のサーチ用マーク４０（基準マーク）と、ラインレーザ６０により計測対象７０の表面に形成された光切断線とが含まれている。そして、画像分離部１０３は、前記複数の画像の各々を、サーチ用マーク４０が撮像されている距離プロファイル抽出用画像と、前記光切断線が撮像されているサーチ用画像とに分離する。

画像分離部１０３は、以下に示す方法の少なくとも１つを利用して、計測対象７０に応じて、前記複数の画像の各々から、サーチ用マーク４０と光切断線とを分離する。すなわち、色による分離方法、偏光を用いた分離方法（この二つを合わせて「光学的分離方法」と呼ぶ）、および、サーチ用マーク４０を検出する位置と、プロファイル（光切断線）を取得する位置とを分ける空間的分離方法の少なくとも１つを利用して、サーチ用マーク４０と光切断線とを分離する。

色による分離方法とは、サーチ用マーク４０の色とラインレーザ６０の色とを異ならせることをいう。前記の構成によれば、サーチ用マーク４０の色とラインレーザ６０の色とが異なるため、三次元形状計測装置１０は、前記各画像において、サーチ用マーク４０と、ラインレーザ６０が計測対象７０の表面に形成する前記光切断線とを、正確に区別することができる。したがって、三次元形状計測装置１０は、サーチ用マーク４０から正確に区別可能な前記光切断線の形成されている部分の前記高さを正確に算出するとともに、ラインレーザ６０から正確に区別可能なサーチ用マーク４０を用いて、前記部分の前記座標を正確に算出することができるという効果を奏する。

偏光を用いた分離方法とは、ラインレーザ６０が偏光であることをいう。前記の構成によれば、ラインレーザ６０が偏光であるため、三次元形状計測装置１０は、前記各画像において、自然光を反射するサーチ用マーク４０と、偏光であるラインレーザ６０が計測対象７０の表面に形成する前記光切断線とを、正確に区別することができる。したがって、三次元形状計測装置１０は、サーチ用マーク４０から正確に区別可能な前記光切断線が形成されている部分の前記高さを正確に算出するとともに、ラインレーザ６０から正確に区別可能なサーチ用マーク４０を用いて、前記部分の前記座標を算出することができるという効果を奏する。

画像分離部１０３が、サーチ用マーク４０と光切断線とを分離するために利用可能な、空間的分離方法については、図７を用いて説明する。なお、空間的分離方法についてあらかじめ概要を整理しておけば、以下のとおりである。すなわち、三次元形状計測装置１０のマークサーチ部１０４は、前記複数の画像の各々に含まれるサーチ用マーク４０を、当該画像の一部分である所定領域のみから検出する。前記の構成によれば、三次元形状計測装置１０は、前記各画像のサーチ用マーク４０を、当該画像の一部分である所定領域のみから検出する。つまり、前記各画像において、サーチ用マーク４０が撮像されている部分と、前記部分が撮像されている部分とは空間的に分離している。したがって、三次元形状計測装置１０は、前記所定領域のみからサーチ用マーク４０を検出するため、サーチ用マーク４０の検出精度を向上させ、かつ、検出速度を向上させることができるという効果を奏する。つまり、前記空間的分離方法は、前記複数の画像（画像Ｉ０００、Ｉ００１、Ｉ００２、・・・Ｉ００Ｎ）の各々について、サーチ用マーク４０を検出する位置と、プロファイル（光切断線）を取得する位置とを、画像分離部１０３が予め分けておくものである。

図７は、三次元形状計測装置１０が、撮像装置３０から取得した画像からサーチ用マーク４０を検出する方法を説明する図である。前記複数の画像（画像Ｉ０００、Ｉ００１、Ｉ００２、・・・Ｉ００Ｎ）の各々は、画像分離部１０３によって、図７に示すように、計測領域を高さ計測領域Ａ１とマーク検出領域Ａ２とに分離される。そして、マークサーチ部１０４は、前記複数の画像の各々におけるマーク検出領域Ａ２のみをサーチして、サーチ用マーク４０を特定する。マークサーチ部１０４によるサーチ用マーク４０のサーチ領域をマーク検出領域Ａ２に限定することにより、二次元サーチ処理の精度および処理速度を向上させることができる。

（三次元形状計測装置のフロー図）
図８は、三次元形状計測装置１０が実行する処理の流れを示すフローチャートである。図８の（ａ）に示すように、三次元形状計測装置１０は、サーチ用マーク４０が撮像装置３０（カメラ）の下に配置され（Ｓ５０１）、照明装置２０がＯＦＦの状態で、その画像を取得する（Ｓ５０２）。マークサーチ部１０４は、Ｓ５０２で取得した画像からサーチ用マーク４０を検出し、検出されたサーチ用のマーク４０は、マーク登録部１０５によってマーク・基準位置テーブル２０２に登録（格納）される（Ｓ５０３）。

照射制御部１０１が照射装置２０の電源をＯＮにした（Ｓ５０４）後、サーチ用マーク４０を撮像した画像において、マークサーチ部１０４が検出・特定したサーチマーク４０の位置を、マーク登録部１０５が基準位置Ｐ０として予めマーク・基準位置テーブル２０２に登録（格納）する。

なお、Ｓ５０１からＳ５０５までの処理は、図３の（ａ）および（ｂ）に示す図に対応する。図３（ａ）に示すように、サーチ用マーク４０がラインレーザ上にある状態（基準状態）に配置されて、図３（ｂ）に示すように、基準位置Ｐ０が登録される。

Ｓ５０１〜Ｓ５０５は、サーチ用マーク４０が常に視野内（撮像装置３０の撮像範囲内）にある状態が、事前に確認されている前提でのフローである。ここで、「サーチ用マーク４０が常に視野内にある状態」とは、「計測対象ワークが画面上を移動して、計測範囲すべてが計測できるとき、サーチ用マーク４０が常に視野内にある状態」のことである。

すなわち、計測したいワークの範囲すべてが計測できる（光切断線が通る）ことを確認し、その範囲において、サーチ用マーク４０が常に視野内にある（位置を計測できる）状態を確認し、サーチ用マーク４０および基準位置Ｐ０を登録する。計測したいワークの範囲すべて、およびサーチ用マーク４０が視野内にあるように調整するための手段としては、例えば、カメラ位置およびレンズの調整の少なくとも一方が考えられる。ユーザは、表示部３００に表示される画像を見ながら、上記の確認および調整操作を事前に行ない、登録処理を行うことができる。なお、ユーザは、照査装置のＯＮ／ＯＦＦ操作および登録に関する確認操作などを、表示部３００のタッチパネルあるいは入力操作部（図示省略）によって行なうことができる。あるいは、ユーザの上記操作に代えて、自動処理が可能な部分は、三次元形状計測装置１０により自動処理するように設計されていてもよい。次に、図３の（ｃ）および（ｄ）に示す図に対応する処理の詳細を図８の（ｂ）を用いて説明する。

三次元形状計測装置１０の照射制御部１０１が、照射装置２０の電源をＯＮにした（Ｓ６０１）後、画像取込み制御部１０２は、撮像装置３０に、ラインレーザ６０により計測対象７０の表面に形成された光切断線と、サーチ用マーク４０とを撮像させ、撮像装置３０から当該画像を取得する（Ｓ６０２）。画像分離部１０３は、撮像装置３０が撮像した前記画像を、プロファイル抽出用画像とサーチ用画像とに、サーチ用マーク４０の色とラインレーザ６０の色との違いを利用して分離する（Ｓ６０３）。

距離プロファイル抽出部１０６は、前記距離プロファイル抽出用画像から、１ライン分の高さプロファイルを算出する（Ｓ６０４）。すなわち、距離プロファイル抽出部１０６は、前記距離プロファイル抽出用の画像に撮像されている、前記光切断線が形成されている部分の高さ（Ｚ座標）を算出する（プロファイル算出処理）。

マークサーチ部１０４は、前記サーチ用画像からマーク位置（Ｘｎ,Ｙｎ,θｎ）を、つまりサーチ用マーク４０の検出位置Ｐｎ等（Ｘｎ，Ｙｎ，θｎ）を、サーチで取得し（Ｓ６０５）、つまり、検出位置Ｐｎ等（Ｘｎ，Ｙｎ，θｎ）を特定する（二次元サーチ処理）。

プロファイル位置補正部１０７は、Ｓ６０４で算出された高さプロファイル（より正確には、前記光切断線が形成されている部分）の位置（つまり、座標（Ｘ，Ｙ））を、Ｓ６０５で特定したサーチ結果（つまり、検出位置Ｐｎ等（Ｘｎ，Ｙｎ，θｎ））で補正する（Ｓ６０６）。具体的には、プロファイル位置補正部１０７は、マークサーチ部１０４が特定した検出位置Ｐｎ等を用いて、アフィン変換により、前記光切断線が形成されている部分の位置を算出する。そして、プロファイル位置補正部１０７は、距離画像メモリ（距離画像テーブル２０３）に補正結果を格納する（Ｓ６０７）。

三次元形状計測装置１０は、「取り込み終了条件が満たされているか？」を判定する（Ｓ６０８）。「取り込み終了条件が満たされているか？」の判定処理の詳細については後述する。取り込み終了条件が満たされていないと判定する（Ｓ６０８でＮＯ）と、三次元形状計測装置１０は、Ｓ６０２に戻って処理を繰り返す。すなわち、例えば、ステージ５０を移動させた後、画像取込み制御部１０２は、撮像装置３０に、ラインレーザ６０により計測対象７０の表面に形成された光切断線と、サーチ用マーク４０とを撮像させ、撮像装置３０から当該画像を取得する。そして、取得した前記画像に対し、三次元形状計測装置１０は、前記プロファイル算出処理および前記二次元サーチ処理を実行する。

取り込み終了条件が満たされていると判定する（Ｓ６０８でＹＥＳ）と、距離画像メモリ補間部１０９は、距離画像テーブル２０３に格納されている距離画像の欠損部分を補間する（Ｓ６０９）。また、検査・計測部１１０は、距離画像を用いて任意の計測・検査処理を行う（Ｓ６１０）。そして、表示制御部１１２（および画像化部１１１）は、可視化した距離画像と計測結果とを表示部３００に表示させる（Ｓ６１１）。

これまで図８を用いて説明してきた三次元形状計測装置１０の実行する三次元形状計測方法は、以下のように表現することができる。すなわち、三次元形状計測装置１０の実行する三次元形状計測方法は、ステージ５０に載置された計測対象７０の表面にラインレーザ６０により形成された光切断線と、計測対象７０との相対位置が変化しない、非対称な形状のサーチ用マーク４０とが撮像された複数の画像を取得する取得ステップ（Ｓ６０２）と、前記各画像について、計測対象７０の、前記光切断線が形成されている部分のステージ５０からの高さを算出する高さ算出ステップ（Ｓ６０４）と、前記各画像について、サーチ用マーク４０を用いて、前記部分の、ステージ５０に平行な面における座標を算出する座標算出ステップ（Ｓ６０５）と、前記各画像から算出された前記高さと前記座標とを組み合わせ、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成するマップ生成ステップ（Ｓ６０６およびＳ６０７）と、を含んでいる。

前記の構成によれば、前記三次元形状計測方法は、前記各画像について、サーチ用マーク４０を用いて、前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出し、算出した当該座標と当該部分の前記高さとを組合せ、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成する。したがって、前記三次元形状計測方法は、前記部分の位置を、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに算出し、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができ、つまり、計測対象７０の三次元形状を正確に計測することができるという効果を奏する。

また、前記三次元形状計測方法は、前記各画像に撮像されている前記光切断線の各々が互いに異なる、前記複数の画像を取得するため、例えば、計測対象７０を載置したステージ５０を水平に移動させる場合、移動にふらつき等が発生したときにも、サーチ用マーク４０を用いて前記部分の前記座標を正確に算出することができる。つまり、前記三次元形状計測方法は、計測対象７０を載置したステージ５０を手動等のふらつきを発生させ得る方法で移動させた場合にも、サーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

ここで、従来の三次元形状計測方法においては、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向のみに水平移動させるため、当該ラインレーザ６０が照射されない、影になる部分７１（光切断線が形成されない部分）が発生し得る。影になる部分７１（前記光切断線が形成されない部分）にラインレーザ６０を照射するには、例えば、前記ラインレーザ６０に対して前記計測対象７０を水平に回転させる等すればよい。しかしながら、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平回転させた場合、計測対象７０の表面に当該ラインレーザ６０により形成された光切断線の位置を特定するのは、当該ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向に水平移動させた場合の当該光切断線の位置の特定よりもさらに困難である。

これに対し、本願発明に係る前記三次元形状計測方法は、サーチ用マーク４０を用いて前記部分の位置を算出するので、例えばステージ５０を水平回転させる等して得た前記複数の画像から、エンコーダ等の外部の位置計測装置、または、ロボット等の精密な移動機構を用いずに容易に、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができる。つまり、前記三次元形状計測方法は、「ラインレーザ６０に対して計測対象７０を１方向のみに水平移動させた場合には光切断線が形成されない部分（影になる部分７１）に、例えばステージ５０を水平回転させて当該ラインレーザ６０を照射して、光切断線を形成した画像」を含む、前記複数の画像から、サーチ用マーク４０を用いて、計測対象７０について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成することができるという効果を奏する。

さらに、従来の三次元形状計測方法においては、ラインレーザ６０に対して計測対象７０を水平移動させる方向（移動方向）のスケールと、ステージ５０において当該移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算が必要であることが一般に知られている。

これに対し、本願発明に係る前記三次元形状計測方法は、前記複数の画像の各々について、サーチ用マーク４０を用いて前記光切断線が形成されている部分の前記座標を算出するため、前記移動方向のスケールと、前記移動方向に直行する方向のスケールとを合わせる計算を省略することができるという効果を奏する。

（取り込み完了判定方法）
三次元形状計測装置１０は、「取り込み終了条件が満たされているか？」を以下に示す方法により判定することができる。すなわち、第１に、撮像装置３０が、ラインレーザ６０により計測対象７０の表面に形成された光切断線と、サーチ用マーク４０とを撮像した画像において、サーチ用マーク４０が所定範囲内にない場合、三次元形状計測装置１０は、取り込み終了条件が満たされていると判定してもよい。例えば、前記画像において、サーチ用マーク４０の検出位置Ｐｎが、前記画像について予め設定されている所定の位置よりも外側にあると判定すると、取り込み終了条件が満たされていると判定してもよい。

また、三次元形状計測装置１０は、計測対象７０の距離画像について、取り込んだ画素の充足率が所定値以上になった場合に、つまり、例えば、距離画像テーブル２０３における、計測対象７０の距離画像に係る記憶量が所定値以上になったのを確認した場合、取り込み終了条件が満たされていると判定してもよい。

さらに、三次元形状計測装置１０は、前記画像においてサーチ用マーク４０が、図７に例示したマーク検出領域Ａ２から外れた時点で、つまりマーク検出領域Ａ２内にサーチ用マーク４０を検出できなくなった時点で、取り込み終了条件が満たされていると判定してもよい。

（本発明が奏する作用効果について）
三次元形状計測装置１０は、前記複数の画像の各々について、サーチ用マーク４０に対する二次元サーチ処理を実行してサーチ用マーク４０の検出位置Ｐｎ等（Ｘｎ,Ｙｎ,θｎ）を特定することにより、ステージ５０の移動量、つまり、ラインレーザ６０により計測対象７０の表面に形成された光切断線の（Ｘ，Ｙ）座標を算出する。また、三次元形状計測装置１０は、三角測量の原理により、前記光切断線が形成されている部分のＺ座標（ラインレーザプロファイル）を算出する。そして、前記複数の画像の各々について、サーチ用マーク４０を用いて算出した光切断線の（Ｘ，Ｙ）座標と、三角測量の原理により算出した前記光切断線が形成されている部分のＺ座標とを組み合わせ、計測対象７０の距離画像（点群）を生成する。

したがって、三次元形状計測装置１０は、エンコーダ５００等の厳格な位置特定機構（移動機構）を用いずに、計測対象７０の距離画像（点群）を生成することができる。言い換えれば、三次元形状計測装置１０は、取得する前記複数の画像の各々に撮像されているサーチ用マーク４０を用いて、距離画像を生成することができる。三次元形状計測装置１０は、計測対象７０の一部（例えば、マーク部分４１）を、サーチ用マーク４０として利用することができる。三次元形状計測装置１０は、サーチ用マーク４０を用いて、前記光切断線の（Ｘ，Ｙ）座標を算出する（Ｘ方向、Ｙ方向、θ方向の補正を行う）ため、ステージ５０の搬送機構（手動であってもよい）がふらついても、正確に前記距離画像（点群）を生成することができる。また、三次元形状計測装置１０は、図５を用いて説明したように、計測対象７０を１方向のみに水平移動させた場合には影になる部分７１についても、影になる部分７１にラインレーザ６０を照射した画像を取得して、影になる部分７１のプロファイルを容易に算出することができる。三次元形状計測装置１０は、前記画像の各々において位置合わせ（前記光切断線の（Ｘ，Ｙ）座標の算出）を行うため、従来の三次元形状計測システム２において必要とされていたＸ軸とＹ軸とのスケール合わせが不要である。三次元形状計測装置１０は、従来の三次元形状計測システム２におけるコンベア６００のような機械的な搬送機構を用いる必要がなく、人間が手動で計測対象７０を撮像装置３０の下で（例えば、バーコードスキャン時のように）動かせばよい。さらに、三次元形状計測装置１０は、１台の撮像装置３０（カメラ）で、二次元の検査（例えば、図２に例示している「生画像」についての検査）と三次元の検査（例えば、図２に例示している「距離画像」についての検査）とを同時に実行することができる。

〔実施形態２〕
三次元形状計測装置１０の制御ブロック（特に、照射制御部１０１、画像取込み制御部１０２、画像分離部１０３、マークサーチ部１０４、マーク登録部１０５、距離プロファイル抽出部１０６、プロファイル位置補正部１０７、マップ補正部１０８、距離画像メモリ補間部１０９、検査・計測部１１０、画像化部１１１、および、表示制御部１１２）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、三次元形状計測装置１０は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組合せて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 三次元形状計測システム
１０ 三次元形状計測装置
２０ 照射装置
３０ 撮像装置
４０ サーチ用マーク（基準マーク）
５０ ステージ（基準面）
６０ ラインレーザ（線状光）
７０ 計測対象
１０２ 画像取込み制御部（取得部）
１０４マークサーチ部（座標算出部）
１０６ 距離プロファイル抽出部（高さ算出部）
１０７ プロファイル位置補正部（マップ生成部）
Ａ２ マーク検出領域（画像の一部分である所定領域）
Ｐ０ 基準位置

Claims (11)

1. 基準面に載置された計測対象の表面に線状光により形成された光切断線と、当該計測対象との相対位置が変化しない、非対称な形状の基準マークとが撮像された複数の画像を取得する取得部と、
   前記各画像について、前記計測対象の、前記光切断線が形成されている部分の前記基準面からの高さを算出する高さ算出部と、
   前記各画像について、前記基準マークを用いて、前記部分の、前記基準面に平行な面における座標を算出する座標算出部と、
   前記各画像から算出された前記高さと前記座標とを組み合わせ、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成するマップ生成部と、を備えることを特徴とする三次元形状計測装置。
2. 前記座標算出部は、前記基準マークを撮像した画像における、前記基準マークの位置を基準位置として予め登録しており、前記複数の画像の各々に含まれる前記基準マークの位置の、当該基準位置からの平行移動量および回転移動量の少なくとも一方に基づき、前記複数の画像の各々について、前記部分の前記座標を算出することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
3. 前記基準マークは、前記基準面に付されていることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
4. 前記基準マークは、前記計測対象自体が備えることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
5. 前記基準マークの色と前記線状光の色とは異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。
6. 前記線状光は偏光であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。
7. 前記座標算出部は、前記複数の画像の各々に含まれる前記基準マークを、当該画像の一部分である所定領域のみから検出することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置。
8. 基準面に載置された計測対象に線状光を照射する照射装置と、
   前記照射装置によって照射された前記線状光により前記計測対象の表面に形成された光切断線と、前記計測対象との相対位置が変化しない、非対称な形状の基準マークとを撮像した複数の画像を取得する撮像装置と、
   前記撮像装置によって取得された前記各画像について、前記計測対象の、前記光切断線が形成されている部分の前記基準面からの高さを算出するとともに、前記基準マークを用いて、当該部分の、前記基準面に平行な面における座標を算出し、当該高さと当該座標とを組み合わせ、前記計測対象について、前記座標ごとの、前記高さを示すデータを生成する三次元形状計測装置と、を含む三次元形状計測システム。
9. 基準面に載置された計測対象の表面に線状光により形成された光切断線と、当該計測対象との相対位置が変化しない、非対称な形状の基準マークとが撮像された複数の画像を取得する取得ステップと、
   前記各画像について、前記計測対象の、前記光切断線が形成されている部分の前記基準面からの高さを算出する高さ算出ステップと、
   前記各画像について、前記基準マークを用いて、前記部分の、前記基準面に平行な面における座標を算出する座標算出ステップと、
   前記各画像から算出された前記高さと前記座標とを組み合わせ、前記計測対象について、前記座標ごとの前記高さを示すデータを生成するマップ生成ステップと、を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。
10. 請求項１から７のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置としてコンピュータを機能させるための情報処理プログラムであって、前記各部としてコンピュータを機能させるための情報処理プログラム。
11. 請求項１０に記載の情報処理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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